DE3124258C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Zur Messung und/oder Registrierung der Bewegung eines Meßkörpers sind eine Vielzahl von Geräten bekannt, die z. B. mechanisch, spiegeloptisch, induktiv, pneumatisch oder optoelektronisch arbeiten. Die bekannten Geräte weisen jedoch sämtlich den Nachteil auf, daß sie bei großer Genauigkeit sehr aufwendig sind oder daß in einfacher Ausführung die Genauigkeit, insbesondere bei Lageänderungen, Temperaturschwankungen etc., unbefriedigend ist. Darüber hinaus ist der Energiebedarf aller nicht rein mechanisch arbeitenden Verfahren relativ groß.

Die Erfindung geht von einem Gerät aus, wie es z. B. als Barograph vom Typ 5016/2 der Firma Theodor Friedrichs & Co. bekannt ist. Dieses bekannte Gerät arbeitet rein mechanisch und verfügt für den mobilen Einsatz, insbesondere auf Schiffen, über eine Öldämpfung. Trotz dieser Öldämpfung ergibt sich als aufgezeichnete Meßkurve unter bestimmten Bedingungen eine Zitterkurve, z. B. dann, wenn das Gerät auf kleinen Schiffen, wie Yachten, im rauhen Seegang arbeitet. Außerdem arbeiten derartige Geräte nicht hysteresefrei, wenn der Meßwertanzeiger eine Schreibfeder trägt und die Meßwertänderungen oder der Vorschub des Registrierpapiers sehr sehr langsam erfolgt, wie dies z. B. bei einem Aneroidbarographen deshalb der Fall ist, weil die Luftdruckänderungen über den Zeitverlauf in der Regel nur außerordentlich gering sind, so daß sich die Schreibfeder extrem langsam über das Registrierpapier bewegt und deshalb hohe Reibwiderstände zu überwinden sind.

Um von den vorerwähnten mechanischen Einflüssen auf gattungsgemäße mechanische Zeigergeräte unabhängig zu werden, ist für die bevorzugte Verwendung bei Höhenmessern in Flugzeugen, bei denen eine mit der Höhe lineare Anzeige erwünscht ist und die Nichtlinearität der Abhängigkeit des Luftdruckes von der Höhe über dem Meeresniveau ausgeglichen werden soll, ein optoelektronisches Gerät vorgeschlagen worden (DE 24 24 275 B2), bei dem eine bezüglich des Meßgerätes höhenveränderliche Aneroidbarometer-Druckdose eine Schlitzblende trägt, welche aus dem von einer gerätefesten, etwa punktförmigen Lichtquelle ausgehenden Licht ein schmales Strahlenbündel ausblendet und auf zwei eng benachbarte Fotozellen lenkt.

Wenn das ausgeblendete Lichtstrahlenbündel exakt auf die Mitte zwischen beiden Fotozellen trifft, ist die von den Fotozellen erzeugte Spannung gleich groß. In dieser Nullage verändert sich an der Geräteanzeige nichts. Wenn nun der Luftdruck zu- bzw. abnimmt und sich als Folge dessen die Länge der Aneroidbarometer-Druckdose und damit die Position der Schlitzblende bezüglich der gerätefesten Lichtquelle ändert, fällt das von der Schlitzblende ausgeblendete Lichtstrahlenbündel des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes zwangsläufig nicht mehr auf die Mitte zwischen beiden Fotozellen, sondern verstärkt auf eine der beiden Fotozellen. Der dadurch bewirkte Spannungsunterschied der beiden Fotozellen wird gemessen und zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Nachführeinheit verwendet, der entsprechend dem Vorzeichen des Spannungsunterschiedes in dem einen bzw. anderen Drehsinn zu laufen beginnt und über ein vielstufiges Getriebe die gesamte Aneroidbarometer-Druckdose samt der Blende bezüglich des Gerätes und damit bezüglich der gerätefesten Lichtquelle in dem Sinne hebt bzw. senkt, daß wieder die vorbeschriebene Nullage erreicht wird, d. h., daß auch bei der neuen aktuellen Länge der Aneroidbarometer-Druckdose das von der Schlitzblende ausgeblendete Lichtstrahlenbündel der gerätefesten Lichtquelle wieder auf die Mitte zwischen beiden Fotozellen fällt. Über ein weiteres Getriebe wird die Stellbewegung des Elektromotors der vorbeschriebenen Nachführeinheit an einem Zeigergerät zur Anzeige gebracht. - Es wurde gefunden, daß wegen der außerordentlich geringen Längenänderung einer Aneroidbarometer-Druckdose bei sich änderndem Luftdruck eine exakte optoelektronische Erfassung derart geringer Lageänderungen äußerste Präzision und damit hohen Herstellungsaufwand erfordert und die Fotozellen in der Lage sein müssen, geringste Lageveränderungen des von der Schlitzblende ausgeblendeten Lichtstrahlenbündels zu erfassen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Gerät der gattungsgemäßen Art anzugeben, das mit einem einfachen mechanischen Teil arbeitet. Dabei soll die Genauigkeit hysteresefrei und bewegungsunempfindlich zumindest die Genauigkeit der aufwendigen mechanischen Verfahren erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird u. a. ein fast trägheitsloses genaues Messen der Meßkörperbewegung möglich, wobei in vorteilhafter Weise die Gesetzmäßigkeiten des Strahlensatzes genutzt werden, um die Meßkörperbewegungen proportional vergrößert abzutasten und/oder zu registrieren. Hierdurch kann eine hohe Genauigkeit der Ablesung und Registrierung mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand erreicht werden, da der Abstand zwischen dem gerätefesten Punkt und dem Anzeigeende eine erhebliche Länge aufweisen kann, während der Abstand zwischen dem gerätefesten Punkt und dem Meßkörper relativ klein sein kann. So ist es vorteilhafterweise möglich, für die Nachführung und damit die Bewegung des Meßkörpers direkt auf einen Papierstreifen zu registrieren. Die Bewegung der Nachführeinheit kann z. B. 100 bis 400 Mal so groß wie die Bewegung des Meßpunktes sein. Darüber hinaus kann so die Systemteillagerung des Meßkörpers optoelektronischer Bausteine vorteilhaft völlig starr ausgebildet sein, so daß in diesem Systemteil keinerlei Relativbewegungen möglich sind, wie sie aus der DE 24 24 275 B2 bekannt sind.

Die Nachführung der Lichtquelle kann in einem geschlossenen, vorzugsweise zumindest teilweise optoelektronischen Regelkreis erfolgen. Durch die Verwendung eines geschlossenen Regelkreises läßt sich die Genauigkeit weiter steigern, da so eine exakte Nachführung des Lichtstrahlbündels auf die Mitte der Fotodiode ohne Langzeitabweichungen gewährleistet ist. So ergibt sich eine in bisher unerreichter Weise einfache und genaue Meß- und Registriermöglichkeit der Bewegung eines Meßkörpers.

Weiter ist vorgesehen, daß die Messung und/oder Registrierung in vorher bestimmten Zeitabständen periodisch gesteuert erfolgt. Durch die Messung und Registrierung nicht über die gesamte Zeit, dies ist insbesondere bei Barographen nicht notwendig, ergibt sich eine erhebliche Reduzierung des Energiebedarfs des erfindungsgemäßen Gerätes, da lediglich in kurzen Intervallen, zwischen denen lange Ausschaltzeiten liegen, gemessen und nachgeführt wird. Für einen mit dem erfindungsgemäßen Gerät arbeitenden Barographen ergibt sich hierdurch, daß der Energieinhalt von z. B. vier 1,5-V-Alkalizellen ausreicht, um den Barographen ¼ Jahr zu betreiben. Bei einem Anschluß an einen Akkumulator auf einer Yacht von z. B. 100 Ah ergibt sich, daß der Energieverbrauch kleiner als die Selbstentladung ist, der Zustand der Yachtbatterie also von einem mit dem erfindungsgemäßen Meß- und Registrierverfahren arbeitenden Barographen nicht beeinflußt wird.

Ferner ist vorgesehen, daß die Nachführung des Lichtstrahlenbündels elektrisch gesteuert mechanisch erfolgt. Durch eine mechanische Nachführung kann vorteilhaft erreicht werden, daß die Nachführung selbsthemmend ist, so daß sich in den Zeitintervallen zwischen den einzelnen Messungen keine Verschiebung der Position z. B. der Lichtquelle ergibt.

Durch eine Ausführung des Stellgliedes der Nachführeinheit in gleichem Material oder in einem Material mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse und der Meßkörperträger ergibt sich darüber hinaus eine vorteilhafte automatische Temperaturkompensation, da sowohl die Lage des Schaltelementes als auch der Meßkörper und die Verstellvorrichtung in gleicher Weise von der Temperatur beeinflußt werden. Da bei einem Barographen die Aneroid-Druckmeßdose aus Spezialmessing besteht, werden bei einem mit dem erfindungsgemäßen Meß- und Registriergerät arbeitenden Barographen vorteilhaft auch das Gehäuse und die Verstellvorrichtung, die die Schreibvorrichtung direkt trägt, aus dem gleichen Material hergestellt.

Es ist alternativ vorgesehen, daß die Nachführung des Lichtstrahlbündels, vorzugsweise elektrisch gesteuert, elektromagnetisch erfolgt. Diese Ausgestaltung, die insbesondere dann gewählt wird, wenn der Energieverbrauch nicht limitiert ist, ist besonders für das Messen schneller Abläufe geeignet, z. B. zur Aufnahme von Erwärmungs- oder Abkühlungskurven in der Metallkunde etc. Die Genauigkeit und Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens reicht in der oben genannten Ausgestaltung aus, um auch Umwandlungspunkte, z. B. den Punkt der α-γ-Umwandlung bei der Abkühlung von Stahl, exakt zu ermitteln. Dabei erfolgt die Auslenkung des Lichtstrahlbündels in Abhängigkeit von der Bewegung einer Kante oder einer Öffnung des Meßkörpers. Es ist dabei von besonderem Vorteil, daß die Bewegung des Meßkörpers rein proportional vergrößert angezeigt und/oder registriert wird. Auf eine spätere Umrechnung der Meßwerte kann vorteilhaft verzichtet werden.

Insbesondere ist vorgesehen, daß die Nachführvorrichtung für das Lichtstrahlbündel mit dem die Lichtquelle tragenden gerade gestreckten Element mechanisch verbunden ist und daß zwischen der Nachführvorrichtung und z. B. dem Fotowiderstand ein Linearträgerelement für die Lichtquelle, vorzugsweise eine gestreckte Schraubenfeder, angeordnet ist, die an dem Träger für den Fotowiderstand und an der Nachführvorrichtung winkelbeweglich befestigt ist. So ergibt sich eine vorteilhafte direkte Verbindung zwischen Lichtquelle, Nachführvorrichtung und Fotowiderstand, die Meßfehler ausscheidet. Dabei ergibt sich insbesondere bei der Verwendung einer gestreckten Schraubenfeder der Vorteil, daß die Lichtquelle im Inneren des Verbindungselementes von Fotowiderstand und Nachführvorrichtung angeordnet werden kann. Fotowiderstand, Nachführvorrichtung und Lichtquelle bilden so ein einfaches lineares System, bei dem der Strahlensatz mit seiner besonders vorteilhaften Linearität gilt.

An Stelle der gestreckten Schraubenfeder kann auch ein Federband etc. verwendet werden. Das erfindungsgemäße Gerät ist nicht auf die Ausführung mit einer gestreckten Schraubenfeder beschränkt. Bei dieser kann jedoch besonders einfach durch eine entsprechende Federhärte erreicht werden, daß die Auslenkung des Lichtstrahlbündels auch bei Lageänderungen des Gerätes proportional der Auslenkung des Meßkörpers ist. So wird eine einfache automatische Unabhängigkeit von Lageänderungen des Gerätes erreicht.

Bei Verwendung einer Schubspindel als Teil der Nachführeinrichtung ist die notwendige Selbsthemmung der Nachführvorrichtung automatisch vorhanden, wobei bei einer Spindel mit Feingewinde ohne weiteres Einstellungen im 1/100-mm-Bereich möglich sind. Eine weitere Verbesserung ist möglich, wenn die Schubspindel als Differentialspindel ausgebildet ist. Dann ist es ohne weiteres möglich, eine Nachführung der Lichtquelle und damit des Lichtstrahlbündels zu erreichen, die Stellschritte im µ-Bereich erlaubt.

Eine Nachführvorrichtung, die einen elektromagnetisch bewegten Nachführkörper aufweist, wird insbesondere dann verwendet, wenn schnelle Bewegungen eines Meßkörpers gemessen werden sollen.

Die Nachführvorrichtung kann auch eine elektronische Lageabtastvorrichtung aufweisen, die insbesondere kapazitiv oder induktiv arbeitet. Durch eine induktive oder kapazitive Lageabtastvorrichtung steht als Anzeige für die Bewegung des Meßkörpers ein elektrisches Signal zur Verfügung. So ist es möglich, die Bewegung des Meßkörpers ohne großen Aufwand nicht analog, sondern auch digital anzuzeigen. Des weiteren ist es möglich, die Anzeige, z. B. der Temperatur eines Ofens, in einer weit entfernten Meßwarte vorzunehmen. Auch eine Signalabstrahlung über Funk ist ohne Signalumwandlung möglich.

Das erfindungsgemäße Gerät eignet sich insbesondere für Barographen, Thermographen und Hydrographen auf Yachten, da bei allen Geräten, die auf Yachten verwendet werden, der Energiebedarf nur gering sein darf. Darüber hinaus weisen Yachten heftige Bewegungen im Seegang auf, die bei den bisher bekannten mechanischen Geräten ohne automatische Mittelwertbildung zu Zitterkurven führten, die eine Auswertung der Kurven erheblich erschwerten. Es ist jedoch auch für beliebige Messungen an Meßkörpern, und zwar sowohl für schnell ablaufende als für langsam ablaufende Messungen, geeignet. Die Länge des verwendeten Lichtstrahlbündels, dessen Auslenkung gemessen wird, kann insbesondere bei Laborgeräten erheblich sein, so daß sich eine Empfindlichkeit ergibt, die den herkömmlichen bekannten Dilatometern etc. nicht nachsteht. Es steht so ein anpassungsfähiges universelles Meßgerät zur Verfügung, das sowohl für schnell ablaufende als auch für langsam ablaufende Bewegungsänderungen eines Meßpunktes verwendet werden kann.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen einer bevorzugten Ausführung näher erläutert, aus denen weitere vorteilhafte Einzelheiten entnehmbar sind.

Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer schematisiert wiedergegebenen Meß- und Registriervorrichtung sowie

Fig. 2 ein Schaltbild des optoelektronischen Systems und

Fig. 3 eine schematische Induktivabtastung der Registriervorrichtung mit elektromagnetischem Antrieb.

In Fig. 1 bezeichnet 1 den Meßkörper, hier eine Doppel-Aneroid-Druckdose. Diese weist eine temperaturunabhängige, lineare Ausdehnung in Abhängigkeit vom Luftdruck auf. Auf der Doppel-Aneroid-Druckdose 1 ist der Träger 2 für die Blende 3, vorzugsweise eine Schlitzblende, angeordnet, die sich mit relativ geringem Abstand vor dem optoelektronischen Baustein 4 befindet. Der optoelektronische Baustein 4 befindet sich auf einem Träger 5, der über die Einstellschraube 6 veränderlich ist. Ebenso wie der Träger 5 ist auch der Träger 17 für den Meßkörper über die Einstellschraube 8 veränderlich, so daß das Meßsystem im Gehäuse 7 justiert werden kann.

Auf der anderen Seite des Gehäuses ist die Nachführmutter 12 angeordnet, die über die Spindel 11 beweglich ist. Die Nachführmutter 12 wirkt auf einen Schreiber 13, der das Papierband 14 vorteilhaft einfach direkt beschreibt. Die Nachführmutter 12 ist mit dem Träger für die Lichtquelle 16, hier eine gespannte Schraubenfeder 15, beweglich verbunden. Der Träger für die Lichtquelle 16 ist auf der Seite des optoelektronischen Bausteins 4 so mit dem Träger 5 für den optoelektronischen Baustein verbunden, daß der Lichtstrahl aus der Blende 3 auf die Mitte des optoelektronischen Bausteins 4 fällt. Abweichungen des Lichtstrahls von der Mitte ergeben Spannungsänderungen an den beiden Ausgängen des optoelektronischen Bausteins, die über die Steuerelektronik 9 in Stellsignale für den Stellmotor 10 umgesetzt werden. So ergibt sich ein Gerät, das zur direkten Anzeige und Registrierung vorteilhaft einfach von der Linearität eines Lichtstrahls zur vergrößerten Anzeige der Bewegung eines Meßpunkts oder der Oberfläche eines Meßkörpers, wie der Aneroid-Doppel-Dose 1, Gebrauch macht.

Die Verstellmutter 12 wird über die Spindel 11 betätigt, die von dem Stellmotor 10 in von der Elektronik vorhergegebenen Zeitabständen bewegt wird. Die Spindel 11 ist vorzugsweise als einfache Schraubenstellspindel ausgebildet, sie kann jedoch auch als Differentialspindel ausgebildet sein, wenn eine hohe Einstellgenauigkeit bei geringsten Wegänderungen erwünscht ist.

In Fig. 2, die ein Ausführungsbeispiel für die elektronische Schaltung zeigt, bezeichnet 18 die Quarzzeitbasis, z. B. einen Quarz mit einer hochfrequenten Schwingung, die durch den nachgeschalteten Teiler 19 auf eine niedrige Frequenz herabgesetzt wird und nach vorherbestimmten Zeitabständen Signale 19′ abgibt, die sowohl die LED-Lichtquelle 21 als auch den optoelektronischen Baustein, z. B. eine Differenzfotodiode (DPD) 22 mit dem Operationsverstärker (OPAMP) und die beiden Verstärker 20 und 24 ansteuern. Die beiden Verstärker 20 und 24 geben entsprechend der vorgegebenen Zeitabstände, z. B. alle 10 Minuten, Signale an den Transportservomotor 26 für ein Registrierband sowie gegebenenfalls an den Stellservomotor 25 für die Nachführung ab.

In Fig. 3 ist schematisch eine elektromagnetische Nachführungsvorrichtung mit induktiver Abtastung gezeigt. Die Lage der Verstellvorrichtung 29 wird dabei von der Spule 27 vorzugsweise über eine Brückenschaltung abgetastet und über das Signal 27′ angezeigt oder registriert. Die beliebige Bewegung der Verstellvorrichtung 29, 30 wird dabei von den E-Magneten 28a und 28b bewirkt, die die Verstellvorrichtung 29 je nach Bedarf bewegen. Sie erhalten ihre Stellsignale über die Zuleitung 28′. Diese Ausführung ist insbesondere für die Messung und Registrierung schnell ablaufender Meßkörperbewegungen vorteilhaft. Alternativ ist auch eine kapazitive Abtastung möglich.

Claims (10)

1. Gerät zum Messen und Anzeigen kleinster Bewegungen und/oder Längenänderungen eines Meßkörpers, insbesondere zum Messen und Anzeigen des Ausschlags einer Aneroidbarometer-Druckdose, mit einem den Meßwert anzeigenden, um einen gerätefesten Punkt schwenkbeweglichen gerade gestreckten Element, bei dem das bewegte Ende des gerade gestreckten Elementes einen Meßwertanzeiger aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß das gerade gestreckte Element (15) eine ein Lichtstrahlbündel in die Erstreckungsrichtung des gerade gestreckten Elementes aussendende Lichtquelle (16) derart trägt, daß die Lichtstrahlrichtung und die Erstreckungsrichtung des gerade gestreckten Elementes (15) stets zusammenfallen,
daß eine Nachführeinheit vorgesehen ist mit einem Stellantrieb (9 bis 12),
daß der Stellantrieb ein Stellglied (11, 12) aufweist, das an einer im Bereich des Meßwertanzeigers (13) liegenden Stelle mit dem gerade gestreckten Element (15) derart gekoppelt ist, daß die Nachführbewegung des Stellantriebes eine nachführende Schwenkbewegung der Lichtquelle (16) um den gerätefesten Punkt (5) ergibt,
daß eine von der bewegbaren Oberfläche des Meßkörpers bewegte Blende (3) oder Kante vorgesehen ist, die den Lichteinfall der Lichtquelle auf ein optoelektronisches Bauteil (4) infolge Positionsänderungen der bewegbaren Oberfläche des Meßkörpers verändert und dadurch eine Nachführbewegung des Stellantriebs auslöst.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen optoelektronischen Baustein (4), dessen Mitte derart gerätefest angeordnet ist, daß das Lichtstrahlbündel von der Lichtquelle (16) auf diese Mitte fällt, wenn die Schwenklage des gerade gestreckten Elementes und damit der angezeigte Meßwert mit dem tatsächlichen Meßwert übereinstimmt und bei dem als Folge von Positionsänderungen der bewegbaren Oberfläche des Meßkörpers ein von der Lichtquelle (16) aus gesendeter Lichtstrahl zu Spannungsänderungen an den Ausgängen des optoelektronischen Bausteins führt, so daß eine Nachführbewegung des gerade gestreckten Elementes ausgelöst wird.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Lichtquelle (16) tragende gerade gestreckte Element eine gestreckte Schraubenfeder (15) oder ein Federband ist, welches einerseits an dem gerätefesten Punkt (5) und andererseits an dem nachführbaren Teil (12) des Stellgliedes winkelbeweglich befestigt ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb der Nachführeinheit aus einer Schubspindel (11) und einer auf der Schubspindel laufenden Nachführmutter (12) besteht.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubspindel als Differentialspindel ausgebildet ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführeinheit einen elektromagnetisch bewegten Nachführkörper (29) aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführeinheit eine elektronische Lageabtastvorrichtung (27) aufweist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied der Nachführeinheit aus dem gleichen Material oder aus einem Material mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse (7) und der Meßkörperträger (17) besteht.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertanzeiger ein ein Papierband direkt beschreibender Schreiber (13) ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung und Anzeige sowie ggf., die Registrierung in vorher bestimmten Zeitabständen periodisch gesteuert durchgeführt wird.